功能材料及其应用于换能器技术的研究进展

    1 引言

    换能器是声呐系统中实现能量转换的器件,功能材料是换能器中肩负这种特殊使命的核心部分.用来制作换能器的功能材料主要包括压电材料(如压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物等)和磁致伸缩材料(如镍、钴、镍铁合金、铁氧体、稀土合金等),分别利用压电效应和磁致伸缩效应实现电场能或磁场能与机械能之间的相互转换.为了获得更佳的能量转换效果,功能材料根据需要被设计成各种复合结构)))复合材料,新结构组件的设计与新工艺的发展使复合材料获得了技术性能的改善,可满足换能器多方面的技术需求.换能器技术的长足发展根本上决定于功能材料技术与性能的突破,当然换能器的综合性能与换能器的新型结构设计关系密切[1],本文主要篇幅重点介绍源于功能材料材料发展的新型换能器研究动态.近些年在传感器技术领域异常活的新兴技术)))微机电(MEMS)技术已经应用于声学换能器,在换能器中实现能量转换的MEMS器件已经冲破传统功能材料的概念,它是集功能元件(敏感器件)、结构件、信号处理、电路和电源等部分于一体的微型机电系统,作为一个有源系统用于高灵敏度接收换能器和复杂基阵,实现声信号的感知和处理.本文将利用一定篇幅介绍这一新技术和新型换能器的发展动态.

    2 磁致伸缩、弛豫铁电、压电材料的发展及在换能器领域中的应用

    在换能器发展史上作为功能材料曾经普遍使用过磁致伸缩材料)))镍. 1917年,法国科学家朗之万用石英晶体制造了声呐换能器,开创了压电材料在声呐上应用的先例; 20世纪40年代,具有较强压电性能的BaTiO3陶瓷研制成功,在/二战0期间被广泛用于声呐系统; 50年代发展起来的PZT压电陶瓷,以其较宽的工作温度范围和优良的机电转换效率弥补了BaTiO3陶瓷的不足,一度成为水声换能器的首选材料.目前压电材料向无铅环保型、细晶粒结构型、耐高温型、压电聚合物柔性材料以及多元复合材料等方向发展,应用不同技术手段或配方工艺实现了材料某些性能的提高,也推动了换能器技术的发展,涌现出多种高性能新型换能器.弛豫铁电材料和稀土超磁致伸缩材料是目前备受关注的高应变、大功率新型功能材料,代表性材料为PMN-PT,PZN-PT, Terfenol-D等,它们可产生的应变约是PZT-8的5倍,是镍的50倍; PMN-PT、PZN-PT的压电常数d33是PZT-8的6)8倍.这些新材料所具有的优良性能让换能器的设计者为之一振,并作出不懈的努力,研制高性能换能器.

    2.1稀土超磁致伸缩材料及其换能器

    稀土超磁致伸缩材料利用磁致伸缩效应实现磁场能与机械能之间的相互转换,典型的材料类型之一是铽镝铁合金)))Terfeno-lD.与镍相比,Terfeno-lD具有高于镍2倍以上的机电耦合系数和数十倍的磁致伸缩应变,主要用来研制低频大功率水声发射换能器.作为低频大功率水声换能器要求具有低的谐振频率和大的机械功率输出,因此设计中往往需要施加结构预应力和提供大的辐射面.为了实现宽带工作,还需要设计机械Q值较低的结构形式.一般在设计低频小尺寸宽带换能器时,需要权衡技术参数的相互制约关系,进行综合设计.主要的结构形式有纵向换能器(见图1(a))、弯张换能器(见图1(b))、圆环换能器(见图1(c))和球形结构换能器(见图1(d))等等.例如Terfeno-lD纵向换能器[2],共振频率2kHz, -3dB带宽200Hz,最大声源级200dB;Terfeno-lD鱼唇式弯张换能器[3],采用一种具有双放大效应的变高度椭圆形外壳,实现更大的体积位移输出,谐振频率为1. 1kHz,最大发射电流响应为182dB,Q值小于3,重量仅3. 5kg,采用填充顺性材料的溢流式结构,更适合深水工作; Terfenol外径0.94m,高度0. 37m,声源级193dB,重量410kg;Terfenol-D球形结构换能器[5],谐振频率5. 9kHz,最大发射电流响应171dB,声源级180dB, -3dB带宽3kHz,Q值小于2,换能器直径74mm,重量500g,为小型低频宽带换能器.